梁國華

(揚(yáng)州曙光電纜股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州225652)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市用電需求的快速增長，交聯(lián)電纜由于其電氣性能優(yōu)良、工作溫度高、傳輸容量大、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，220 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜已經(jīng)越來越多地用于城市電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)。

為保證供電的穩(wěn)定性，對220 kV XLPE絕緣電力電纜運(yùn)行時(shí)各層溫度監(jiān)視已十分必要，光纖溫度傳感器作為一項(xiàng)新技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)開始運(yùn)用推廣，通過光纖測量絕緣外表面，可以計(jì)算出導(dǎo)體實(shí)時(shí)溫度，而無需考慮電纜外部的環(huán)境影響。對于敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜的電纜線路，還可以通過監(jiān)測電纜導(dǎo)體溫度，為及時(shí)調(diào)控電纜載流量提供指導(dǎo)，使電纜最大限度地發(fā)揮輸送能力，又可避免電纜因過載造成損傷，這對于電纜線路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的意義。

1 研制過程

1.1 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次研制的樣品為220 kV、2 000 mm2XLPE絕緣超高壓光纖測溫電力電纜，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為5+1分割型(5個股塊，中間放置一根50 mm2圓型緊壓導(dǎo)體)，電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)依據(jù)GB/Z18890—2002。光纖測溫方式目前主要有:(1)電纜外護(hù)套表面貼裝測溫光纜，這種方法與電纜制造分開進(jìn)行，俗稱外置式，缺點(diǎn)是反應(yīng)導(dǎo)體溫度遲緩，受周圍環(huán)境影響較大，適用于對沒有光纖的電纜進(jìn)行改造和要求不高的場合;(2)在半導(dǎo)電緩沖層與金屬套中放入測溫光纖，光纖置入分縱向及繞包方法，縱向植入光纖的缺點(diǎn)是電纜在彎曲過程中易發(fā)生斷裂，不安全，繞包方法由于經(jīng)一定節(jié)距纏繞在膨松棉上，在電纜彎曲時(shí)不易斷裂，同時(shí)膨松棉也可吸收電纜絕緣的膨脹尺寸;(3)光纖植入導(dǎo)體中，這種方法在生產(chǎn)中操作十分困難，光纖極易斷裂，同時(shí)附件需特殊設(shè)計(jì)，目前處于研究階段。根據(jù)以上情況分析，我公司采用在緩沖層與鋁管之間植入測溫光纖，這種方法安全可靠，能夠非常準(zhǔn)確地檢查出電纜線路的故障點(diǎn)。電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 測溫光纖單元設(shè)計(jì)

圖1 220 kV XLPE絕緣光纖測溫電力電纜結(jié)構(gòu)圖

220 kV XLPE絕緣電力電纜由于受到裝盤長度及感應(yīng)電壓限制，其單根電纜長度一般在1 km以內(nèi)，單模光纖采用固體激光器做光源，主要用于長途通信，多模光纖采用發(fā)光二極管做光源，傳輸速度低、距離短，但成本比較低，所以我公司設(shè)計(jì)時(shí)選用符合GB/T 12357.1—2004《通信用多模光纖第1部分:A1類多模光纖特性》標(biāo)準(zhǔn)中的A1a(50/125)的多模光纖，為了提高可靠性，選用2芯光纖。測溫光纜主要有不銹鋼鋼管測溫光纜、扁平式感溫光纜及螺旋鎧裝測溫光纜等形式，根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對光纖的保護(hù)效果，最終選擇了無縫非磁性不銹鋼鋼管測溫光纜作為測溫光纖單元，見圖2。無縫不銹鋼鋼管測溫光纜有多種不同外徑，常用的有 2.3 mm、 1.8 mm、 1.3 mm幾種。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外徑越小，對電纜結(jié)構(gòu)影響也越小，抗側(cè)壓力也越大，性能更有保證，但光纜生產(chǎn)難度也更大，價(jià)格也更高。我們選擇了 1.3 mm的無縫不銹鋼鋼管測溫光纜，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 測溫光纖單元

2 主要工藝措施

(1)分割導(dǎo)體采用法國波迪亞公司帶有預(yù)扭裝置的框絞機(jī)及帶有自動相位檢測裝置的盤絞機(jī)生產(chǎn)。

(2)導(dǎo)體半導(dǎo)電帶與保護(hù)隔離帶同時(shí)繞包，可以避免灰塵落在半導(dǎo)電帶表面，同時(shí)保護(hù)半導(dǎo)電帶在電纜轉(zhuǎn)序的過程中不被損傷，保護(hù)隔離帶在進(jìn)入交聯(lián)三層共擠機(jī)頭前拆掉。

(3)采用立式麥拉菲爾三層共擠化學(xué)交聯(lián)生產(chǎn)線、SIKORA冷端及熱端連續(xù)檢測系統(tǒng)和NCC交聯(lián)工藝計(jì)算軟件，全電腦控制、全封閉式材料干燥、重力加料系統(tǒng)。加料的正壓凈化間分為兩個區(qū)域，半導(dǎo)體凈化間和絕緣凈化間，其中半導(dǎo)體凈化間的凈化等級為1000級，絕緣料凈化間的凈化等級為100級，輸料管道采用衛(wèi)生級的不銹鋼材料，直接進(jìn)入加料斗，與外界完全隔離，保證電纜料出廠凈化等級不改變。

(4)測溫光纜置于金屬護(hù)套內(nèi)、屏蔽層外，以約6～8倍纜芯外徑的節(jié)距纏繞在半導(dǎo)電緩沖層外，右向旋繞與軋紋方向相同，避免鋼管內(nèi)光纖余長發(fā)生較大變化。光纖余長取決于不銹鋼管內(nèi)的光纖余長，而不銹鋼鋼管內(nèi)的光纖余εF，由式(1)表示:

式中，Lf為不銹鋼鋼管內(nèi)光纖長度，Lt為不銹鋼鋼管長度。

由式(1)可知，如果εF太大，不銹鋼鋼管內(nèi)光纖彎曲半徑就小，同時(shí)光纖緊靠管壁受力也較大，容易造成微彎損耗，甚至使光纖折斷;如果εF太小，光纜受外力拉伸時(shí)，即使發(fā)生較小的變形，應(yīng)力也會作用到光纖上，導(dǎo)致衰減增大，或光纖斷裂。經(jīng)試驗(yàn)，我們確定將光纖余長控制在1%～3%范圍內(nèi)。纏繞光纜前后均應(yīng)檢查每芯光纖衰減，并進(jìn)行比較，以對工藝進(jìn)行調(diào)整，光纜放線張力不能過大，否則易對不銹鋼鋼管造成拉伸，另外，張力過大還會使光纜纏繞在緩沖層上過緊，而影響緩沖層的效果，并易使光纜承受側(cè)壓力增大;張力過小，則光纜纏繞在緩沖層上過松，使光纜產(chǎn)生微彎，甚至光纖折斷。

(5)在絕緣線芯外重疊繞包二層半導(dǎo)電阻水緩沖帶，緩沖帶厚度1.5 mm，緩沖層外纏繞測溫光纜，再在光纜外重疊繞包一層2.0 mm阻水緩沖帶。根據(jù)交聯(lián)電纜熱膨脹量計(jì)算，交聯(lián)料的線脹率η為:

絕緣徑向膨脹量Δt為:

式中，β為交聯(lián)料的線脹系數(shù)，取1×10－3℃－1;T為XLPE絕緣平均溫升，取50℃;Δt為絕緣徑向膨脹量(mm);R1、R2分別為導(dǎo)體半徑和絕緣屏蔽半徑，本次樣品R1=28.1 mm，R2=54.6 mm。

由式(2)、式(3)計(jì)算得η=0.016，Δt=0.66 mm。光纜內(nèi)側(cè)二層緩沖層總厚度達(dá)3.0 mm，光纜外徑只有1.35 mm，能有效吸收、緩沖電纜在受熱膨脹過程中引起的附加拉力，而光纜上繞包的緩沖帶，則吸收了在熱膨脹時(shí)鋁套對光纜的反向壓力，減少了因電纜受熱膨脹引起光纖的附加衰減。

(6)線芯纏繞上測溫光纜之后和氬弧焊之前的所有設(shè)備上的導(dǎo)輪，均應(yīng)包上兩層硅橡膠或其它合適的橡膠帶，以減少不銹鋼鋼管測溫光纜在導(dǎo)輪上所受的側(cè)壓力，鋁套后還應(yīng)檢查光纜衰減情況。

3 試驗(yàn)

220 kV XLPE絕緣光纖測溫電力電纜的主要功能有二部分，一是傳輸電力，必須滿足GB/Z 18890—2002《額定電壓220 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》標(biāo)準(zhǔn)要求，其試驗(yàn)項(xiàng)目參照GB/Z 18890—2002執(zhí)行，在此就不列出;另一個是傳輸光信號，進(jìn)行測溫，由于電纜在生產(chǎn)及使用過程中經(jīng)常有彎曲情況，以及運(yùn)行時(shí)會發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，我們設(shè)計(jì)了表2的試驗(yàn)方案，用以模擬鑒定測溫光纜使用性能。

表2 光纖參數(shù)及性能

4 結(jié)束語

我公司試制的樣品YJLW02-Z-127/220 kV-1×2000+GQ-2A1a已通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，相關(guān)產(chǎn)品已在廣東、遼寧等地使用，用戶反映良好。本研制方案亦可應(yīng)用于66 kV、110 kV等電壓等級的電纜上，同時(shí)希望有關(guān)部門能早日起草該產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)產(chǎn)品的健康發(fā)展。